1、机 器人 智能 焊接 技术 振华重工 焊接研究所 盛凯 振华重 工 焊 接 研究所 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。 国际标准 组织（ISO ） 对工业机器人的定义 ， 工业机器人是一种多用途的、 可重复 编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴， 用于工业自动化领域。 焊 接机器 人及 变位 机械 焊接机 器人 焊接机 器人 初始焊缝寻位 焊缝自动跟踪 多层多道焊道编排 离线编程与仿真 日本造船工业、汽车制造业、金属结构制造业及重型机械制造业，在 1993-1998年完成了焊接CIMS改造，他们采用焊接机器人及自动化辅助设 备，建成了数百条
2、焊接自动化生产线和自动化焊接工段，能够实现大型 构件及重型机械的自动装配和焊接。 国外研 究现状 机 器人焊 接设 备 国外研 究现状 针对大结构件，多焊缝同时焊接时的多机器人系统，在日本船舶行业 广泛应用，如图是多焊接机器人焊接结构简图，图 (a) 为多机器人倒挂龙 门式，图 (b)为多机器人折梯伸降式。 多 焊接机 器人 焊接 结构简 图 （a）倒挂龙门式 （b）折梯升降式 与之相比，我国自动化焊接应 用水平 较低， 手工劳动 量 大，质量也不稳定。美国和西 欧40% 以上实现半自动化焊接 ，33% 采用机器人焊接，15% 采用机械化焊接。 我国几乎完全手工焊接；舰船 船体焊 接，国 外自
3、动化 焊 接率达50% 以上，而我国仅为5%-10% ，差距较大。 国内部分船厂虽然引进平面分 段自动 化焊接 生产线， 个 别船厂还引进了管路自动化焊 接生产 线，但 自动化程 度较低 或配套装备不够完善，生产效 率还有 待提高 。 国内研 究现状 案例一 机 械配套 公司 滑轮 异种 钢机器 人焊接 振华重 工 焊 接研究所 研究背景 双腹板滑 轮实物 及 采用的半 自动化 焊 接设备 滑轮作为起重机械的重要构件 ，所 采用的 传统焊 接制 造工艺 为 半自 动 药芯焊丝CO2 气体保护焊 。 由于是异种金属连接，焊前需要 预热， 焊后 需要保 温，而 且需 要控制 层 间温度，增大焊接工
4、人的劳动强 度。同 时， 由于焊 丝为药 芯， 每完成 一道焊 缝需要清理焊渣，降低了工作效 率 。 研究内容 异 种 金属焊 接工艺 机 器 人多层 多道焊 焊 接 工艺评 定试验 焊 接 工艺流 程编制 实 芯 焊丝气 体保护 焊 为实现滑轮 机器人焊 接， 需 要进行异 种金 属 焊接工艺 、机 器 人多层多 道焊 、 实芯焊丝气体保护焊等多方面技 术研究 ，进 而进行 焊接工 艺评 定试验 ，编制 出 符合生产标准的焊接工艺规程， 方案总 体流 程图如 下图所 示。 一. 异种金属连接 滑轮结构采用的是低合金高强钢 （常用 为35CrMo）和普 通碳素 钢（常 用为A709-50-2
5、）。 35CrMo钢的碳当量值Ceq=0.72% 。这种材料的焊 接性不 良，焊接时其淬硬倾向较大，热 影响区 热裂 和冷裂 倾向都 会较 大。而A709- 50-2 钢含碳量较低，焊接性良好。 C Si Mn S P Cr Ni Cu Mo 0.32 0.40 0.17 0.37 0.40 0.70 0. 035 0. 035 0.80 1.10 0 .3 0 0 .3 0 0.15 0.25 C Si Mn S P Cr Ni V Mo 0.12 0.21 0.20 0.35 0.95 1.30 0. 035 0. 035 0.40 0.65 0.30 0.70 0.03 0.08 0.2
6、0 0.30 表1 35CrMo 化 学成分 表2 A709-50-2 化学成分 根据AWS D1.1的规定，参照异种金属连接焊材 低强匹 配的原 则选 用ER70S-6 ， 直径为1.2mm ，化 学成 分如表3所 示。 C Si Mn Cr Ni Cu Mo V S P 0.07 0.90 1.43 0.02 0.03 0.10 0.002 0.003 0.015 0.014 表3 焊 丝 化学成分 1. 焊材选择 2. 温度控制 35CrMo钢含碳量及合金元素量都很高，热裂 倾向严 重。 因此， 需要控制预热 温度以及层间温度，以降低金属 的应变 速率 ，从而 降低热 裂的 可能性 。因
7、此 ，焊 前将工件预热至180 ，层间温度控制在180 300 之间。 为了防止在滑轮焊接后冷裂纹的 产生， 焊后 进行保 温处理 ，保 温温度 为300 400 ，保温时间为1 2h 。 二. 机器人多层多道焊 1 T 1 =3mm 2 3 在滑轮实际生产过程中，焊接接 头标准 形式 如下图 所示， 其中 根部间 隙 为 3mm。由 于根部 间隙 较小， 所需焊 丝填 充量少 ，熔化 的焊 丝（液 态金属 流） 将未 起弧的位置填充，从而导致打底 焊产生 焊缝 金属与 母材 未 熔合 的缺陷 。 原 焊 接接头 形式 本项目对焊接接头形式进行改变 ，将根 部间 隙放大 至6mm，如下 图所
8、示，通过编辑机器人程序，采用 锯齿形 摆动 焊丝的 方式进 行焊 接， 锯齿形的摆动方式使得焊接电 弧在焊 道两侧 有足 够的停 留时间 ，从 而确保了焊丝与侧壁以及与衬垫 板之间 的电 弧燃烧 ，实现 了打 底焊道 焊缝 与母材之间的完全熔合 。 1 T 1 =6mm 2 3 改 进 后焊接 接头形 式 三. 机器人GMAW焊接参数 本项目通过大量工艺试验获取了 最佳的 焊接 参数， 可以得 到相 对稳定 的喷射 过渡 ，在保证焊接效率的基础上将焊 缝飞溅 控制 到最小 。 最佳焊接规范为：电流值I=250 270A ，电压值U=29 31V ，干伸长L=20 22mm ，焊接 速度v=22
9、0 300mm/min 。 焊 缝 成形图 应用情况 滑轮焊接制造由传统的药芯焊丝CO 2 气 体保 护半自 动焊发 展为 机器人 自动化焊接，提高了滑轮生产效 率2倍以上 ，节 约耗能 ，降低 了生 产成本 100万元以上/年，经济效益明显。 滑 轮 机器人 焊接设 备 案例二 机 械配套 公司 主动 台车 架机器 人焊接 振华重 工 焊接研 究 所 研究背景 主动台车架是大车行走机构的 重要构 件，传 统采 用药芯 焊丝CO 2 气 体保护 半自动焊的方式进行焊接。由于 主动台 车架 中焊缝 位置不 同， 工件在 焊接过 程 中需要不断翻转，而且焊后需要 打磨， 不仅 降低了 工作效 率，
10、 且极大 增加了 工 人的劳动强度。 主动台车 架构件 图 研究内容 （2 ）A709钢机器人GMAW 焊接研究及焊接工艺评定 （3 ）机器人焊接系统集成：工装夹具设计，焊接路径规划等 （1 ）主动台车架规格分类及主干焊缝信息提取 主动台车架规格多 程序通用性差，每种规 格均需单一编程 主动台车架构件复杂 机器人焊接容易产生干涉 单一主动台车架焊缝条数多 （1）人工示教时间长 （2）焊接顺序影响焊缝变形 项目难点 （三）机器人焊接程序编制 典型规格主动台车架手工示 教编程 （一）焊接顺序规划 （1）现场顺序 （2）工件翻转 （3）有限元模拟 （二）焊接工装夹具设计 （1）有效夹持，防止滑移 （
11、2）相同规格重复定位精度 机器人焊接系统集成 序号 车轮直径 轮距 优选等级 2 ）台车宽度 1 500 900 第一系列 340 2 750 第二系列 3 650 900 第一系列 376 4 1050 5 1200 6 1350 第二系列 7 1500 8 710 1 ）1050 第一系列 376 9 1200 10 1350 第二系列 11 1500 12 800 1050 第一系列 430 13 1200 14 1500 15 900 第二系列 16 1350 17 900 1050 第一系列 470 18 1200 19 1500 20 1350 第二系列 21 1650 22 10
12、00 1200 第一系列 470 23 1500 24 1350 第二系列 25 1650 主动台车架按轮径、轮距、轴承座、 销 轴 、 扭力臂、有无轮边制动器等 各种组合. （一）主动台车架规格分类 2. 销轴 的 影响台车高度 标 准 销 轴孔径：150, 180, 200 特殊孔径 ：130, 220 1. 仅按照 轮径和轮距 分类共计25 种， 优选的第一系列14 种，如右表所示。 1. 因 扭 力 臂位置不定，且容易导致干涉，因此在机器人焊接过程 中 不 安 装扭力臂。 （二）主干焊缝信息提取 2. 因 封 板 容易导致干涉，且封板焊接量小，因此在机器人焊接过程中不安 装封板。 焊缝
13、 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 11 9 10 12 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，11 ，9 ，10 ，13 焊角 尺寸 坡口 10 焊角 8 坡口 无 焊角 8 坡口 无 焊角 10 坡口 10 焊角 10 经 简 化后， 如左图 所 示 ， 共涉及 主干焊 缝 24 条 ，每 条焊缝 信息 如 下 表所示 1. 焊 接工艺评 定方案 制定（AWS标 准） （1）焊接工艺评定试板规格 （2）焊接工艺评定取样图 （3）焊缝合格验收标准 角焊缝焊接示 意 图 拼板横焊对接 示 意图 （三）机器人焊接工艺研究 主动台车架机器人焊接工艺研 究 试板取样图： 2. 机 器
14、人焊接工 艺评定 试验 （1 ）GMAW 焊接参数摸索 （2）工艺评定用试板的焊接 拼板横焊对接 实 物图 机器人横焊试 验 （四）机器人焊接技术应用 （五）经济效益对比 1 、 月 工时对比 （工时 ） 手工焊 机器人 焊 焊接 3000 2100 编程 0 96 补焊 1500 1500 起重 400 160 打磨 1500 975 合计 6400 4831 2 、 用 人数对比 （个数 ） 手工焊 机器人 焊 焊工人数 12 4 补焊工人数 6 3 起重工人数 2 1 打磨工人数 6 4 合计 26 12 3 、 年 成本对比 （万元 ） 手工焊 机器人 焊 人工费 192 107 焊材
15、费 183 105 气体费 14.5 56 打磨片 14.5 8 合计费 用 404 276 工 艺部/ 大南通/ 南通 重齿 海 工 装备 桩腿制 造智能 焊接车 间 案例三 振华重 工 焊接研 究 所 焊接车间信 息 化 研究内容 近年来网络技术和信息技术飞速发展，促使传统的制造业更新换代 加快。焊接制造过程的数字化、信息化与智能化已成为未来焊接技术的 发展趋势。为此，提出焊接车间生产网络化监控及信息化管理 ， （一）实时监控车间动态，实现工件、焊工、焊机三方信息的一体化采 集和实时显示； （二）实现焊接设备与计算机的数据通信，对焊接规范进行智能化的控 制； （三）建立焊缝质量检测跟踪系统
16、，实现焊缝质量跟踪及控制。 焊接 设备 焊工 工件 编号 服务器 显示设 备 互联网 焊缝质 量 检测报 表 南通重齿应用现状 无线通 讯及视 频网络 监控 软件 界面 大南通焊接车间信息化监控室 焊接车间生 产 网络 监控及信息 化 管理 工艺规范管理 规范参数下载 设定超规范报警规则 工艺管理 焊工工时统计 焊材消耗统计 焊丝库存出入库统计 成本管理 历史波形查询 焊接质量评估 规范报警查询 质量管理 焊工信息管理 工件信息统计 焊材信息维护 生产管理 掌握车间动态 记录生产进度 反馈现场问题 实时监控 设备保养提示 故障报警统计 故障短信通知 设备管理 研究内容 1.实时监控： 对产品的
17、制造信息和生产流程进行实时 监控，让管理者能掌握车间的状况和产品的制造进度； 远 程 监 控 车 间 级 监 控 设 备 级 监 控 研究内容 2.工艺管理： 从工艺文件中导入工艺规范参数，焊接 工人只有焊接作业权限，没有设定和调整焊接参数的 权限，并且当焊接电流超出设定规范时将进行报警提 示； 研究内容 研究内容 3.质量管理： 一方面焊机可以通过客户端进行超规范报警， 并且将报警信息保存到数据库中，同时通过统计焊接规范 参数对所有焊机的焊接质量进行评定、对比分析，定位可 能存在故障的焊机和焊缝；另一方面，将焊后焊缝质量检 测信息与焊接过程中采取的焊接规范相对应 研究内容 4.生产管理： 通
18、过工件信息统计模块使得焊工工号、 工件编号、焊机编号、规范编号一一对应，便于管理 者对焊工焊接作业的监督和对工件焊接质量的定位； 焊接车间 生产网 络 监 控及信息 化管理 系 统 研究内容 5.设备管理： 该模块显示每台焊机的保养记录，进行保养提 醒，当设备出现故障时通过客户端软件提示，实现设备管理 部门对焊机的运行状态和使用情况的及时把握和管理； 研究内容 6.成本管理： 查询焊工在特定时间段的累计焊接时间、累计 工作时间、焊丝消耗、气体消耗和电能消耗，从而进行焊工 工时和焊材消耗的信息统计； 研究内容 焊接智能化将使生产制造过程更为高效、优质、节能、环 保、降本增效，改善焊工劳动条件。
19、提高我司海洋高端装备制造的综合能力，提高产品国际市 场竞争力。 该项目的建设将成为公司转型发展的样本，对促进我司在 海洋工程装备、港口机械、大型钢构和核心配套件等领域 也实现自动化和智能化焊接制造。 研究效益 案例四 钢 构事业 部 港 珠澳大 桥机器 人焊接 振华重 工 焊接研 究 所 港珠澳大桥是当今世界上规模最大、标准最高、技术最复杂的桥、 岛、隧一体化的集群工程。振华重工承制的CB05-G1 合同段包含部分浅 水区非通航孔桥钢箱梁，全长3.485KM ，钢结构总工程量41244吨。 项目简介 机器人焊接设备 技术创新 2. 由于横隔 板数量繁多 ， 焊接顺序对 变 形影响很大 。 因此采用 对称焊接的 方 式，以控制 焊 接变形量 1. 突破传统 数控下料的 模 式，通过设 计 切割参数和 切 割方式， 坡口直接下 料 ，大大提高 了 零件的外形 尺 寸精度。 3. 颠覆有马 拼装的常规 思 路，采用板 单 元拼装无马 板 拼接，采用 合 理焊接方法 ， 搭制专门的 胎 架，放置焊 接 反变形量， 两 侧压配重等 有效措施， 将 构件的变形 量 控制在精度 范 围内（小于1mm ）。 4. 采用药芯 焊丝混合气 体 保护焊，焊 缝 成形良好， 且 通过机器人 程序控制， 能 够实现包角 焊 。 技术创新 LOGO ZPMC
